阅读说明：本技术 一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法及装置 (Optical element surface local gradient surface shape error interferometry method and device ) 是由 郝群 胡摇 石峰 宋辞 谢凌波 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法及装置,在不改变原干涉仪光路的前提下实现之前不可测量的局部陡度面形误差的测量。利用双光楔补偿器,放置在在局部陡度面形误差的区域,旋转双光楔补偿器的相对转角和整体绕光轴滚转角,产生方向可调的附加倾斜补偿相位,使局部测量光束与局部面形匹配,干涉条纹变稀疏,利用干涉仪测量局部相位；根据双光楔补偿器的旋转角度计算其引入的相位,输入虚拟干涉仪模型,计算得到局部面形误差；对被光学元件所有无法直接测量的局部依次进行上述测量过程,直到所有局部陡度面形误差均完成测量；将局部面形误差与光学元件全口径面形误差数据进行拼接,完成测量。(An interference measurement method and device for local gradient surface shape error of optical element surface realizes the previous unmeasurable measurement of local gradient surface shape error on the premise of not changing the original interferometer light path. The dual-optical wedge compensator is placed in a local gradient surface shape error area, the relative rotation angle of the dual-optical wedge compensator and the integral roll angle around the optical axis are rotated to generate an additional tilt compensation phase with adjustable direction, so that a local measuring light beam is matched with a local surface shape, interference fringes are sparse, and a local phase is measured by an interferometer; calculating the introduced phase according to the rotation angle of the double-optical-wedge compensator, inputting the phase into a virtual interferometer model, and calculating to obtain a local surface shape error; sequentially carrying out the measurement process on all parts which cannot be directly measured by the optical element until all the local gradient surface shape errors are measured; and splicing the local surface shape error and the full-aperture surface shape error data of the optical element to finish measurement.)

一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法及装置

技术领域

本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法，以及对应的光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量装置。

背景技术

科学技术不断进步，光学系统的精度和成像质量要求也越来越高，包含非球面光学元件的光学系统，对于球差、彗差、场曲等像差能够进行消除，并且能减少光能损失，而非球面元件的测量也成为了光学系统设计制造的重点，其检测技术的种类也越来越多。这些方法大致可归纳为接触式测量以及非接触式测量两种。接触式检测法通常需要测头接触被测光学元件表面，这样容易将光学元件划伤，并且也不能对全口径面形进行一次性测量，精度较低、速度较慢。针对接触式测量的许多不足之处，研究人员开始将非接触检测手段应用到光学元件表面面形的测量当中，目前广泛应用的非接触式测量方法主要分为结构光三维测量法和干涉测量法等。

干涉测量是一种高精度的光学元件面形测量方法，适用于加工精磨阶段和成品光学元件的质量检测。随着国防工业与光学尖端科技的不断进步，各类光学设备对元件的要求逐渐严格。

目前，无论是在球面还是非球面的成品光学元件检测中，利用干涉测量法都能得到精度极高的检测结果。然而在加工过程中，对于部分非球面，由于其面形的复杂性，无论是成型阶段还是最终抛光阶段，都需要复杂的轨迹规划和去除量配合，在毛坯边缘容易残留凹凸随机的局部陡度面形误差。因此，对该面形误差的测量反馈精度将直接决定补偿加工的效率和最终的精度。当待测面局部面形误差较大时，干涉法会因为干涉条纹密度过高出现无法记录和解算的丢点情况。而这一部分缺失结果的面形误差的大小和方向正决定了下一次的加工量，如不能测出只能靠经验盲猜，将极大增加反复加工的次数和时间。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法，其解决了激光干涉测量技术在检测加工中的球面或非球面光学元件面形时无法测量局部陡度面形误差的问题，在不改变原干涉仪光路的前提下实现之前不可测量的局部陡度面形误差的测量，结构较为简单，无需复杂的全口径机械扫描结构，在扩展测量范围的同时也节约了成本，保留了干涉测量的高精度，适用于平面、球面、非球面等各种光学表面加工过程中的局部陡度面形误差分布测量，实用性强。

本发明的技术方案是：这种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法，其包括以下步骤：

(1)利用激光干涉仪主机、补偿镜完成被测镜全口径面形误差的测量，得到全口径面形误差分布Φ(x,y)，其中，局部陡度面形误差区域由于干涉条纹过于密集，无法得到有效测量数据，标记该测量数据缺失区域为Σ；

(2)在上述区域Σ对应的光路中***双光楔补偿器，利用双光楔补偿器调节架调整包括轴向和两个正交横向位置在内的三维坐标(x,y,z)，使得双光楔补偿器面积刚好可以覆盖整个数据缺失区域，根据双光楔厚度调整被测镜轴向位置，使得双光楔引入的附加相位被补偿；

(3)旋转双光楔补偿器相对转角到α₁，使其产生的光束偏转最大；旋转双光楔补偿器整体绕光轴滚转角β，观察数据缺失区域Σ中密集干涉条纹变化，当其中的区域σ₁中干涉条纹稀疏到可以测量时，记录下此时双光楔补偿器整体绕光轴滚转角β₁，使用干涉仪测得此时区域σ₁的相位分布

(4)在光学仿真软件中建立激光干涉仪主机、补偿镜和被测镜组成的测量系统模型，在模型中根据双光楔补偿器的位置(x,y,z)、相对转角α₁和整体绕光轴滚转角β₁***双光楔补偿器的模型，利用逆向迭代优化法由相位分布求得区域σ₁中面形误差分布E₁(x,y)；

(5)以一定步长Δα旋转双光楔补偿器相对转角到α₂，重复步骤(3)，记录σ₂、β₂、重复步骤(4)，记录求得的面形误差分布E₂(x,y)；之后继续以Δα为步长旋转双光楔补偿器相对转角到α_n＝α₁+180°，重复步骤(3)、(4)记录一系列σ_n、β_n、和E_n(x,y)；

(6)对全口径面形误差分布Φ(x,y)和各个σ_n区域的面形误差分布E_n(x,y)进行拼接，得到数据完整的全口径面形误差分布。

本发明利用双光楔补偿器，放置在在局部陡度面形误差的区域，旋转双光楔补偿器的相对转角和整体绕光轴滚转角，产生方向可调的附加倾斜补偿相位，从而使得局部测量光束与局部面形匹配，此时局部的干涉条纹变稀疏，利用干涉仪测量局部相位；根据双光楔补偿器的旋转角度计算其引入的相位，输入虚拟干涉仪模型，计算得到局部面形误差；对被光学元件所有无法直接测量的局部依次进行上述测量过程，直到所有局部陡度面形误差均完成测量；将局部面形误差与光学元件全口径面形误差数据进行拼接，完成测量；因此解决了激光干涉测量技术在检测加工中的球面或非球面光学元件面形时无法测量局部陡度面形误差的问题，在不改变原干涉仪光路的前提下实现之前不可测量的局部陡度面形误差的测量，结构较为简单，无需复杂的全口径机械扫描结构，在扩展测量范围的同时也节约了成本，保留了干涉测量的高精度，适用于平面、球面、非球面等各种光学表面加工过程中的局部陡度面形误差分布测量，实用性强。

还提供了一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量装置，其包括：激光干涉仪主机(1)、补偿镜(2)、双光楔补偿器(3)、双光楔补偿器调节架(4)、被测镜(5)；

激光干涉仪主机(1)发出的测量光束波前经补偿镜(2)调制后变成与被测镜(5)名义面形匹配的波前，入射被测镜(5)，在被测镜(5)上反射后，再次经过补偿镜(2)回到激光干涉仪主机(1)，与内部参考光干涉，形成干涉条纹；

在补偿镜(2)和被测镜(5)之间干涉条纹密集导致数据缺失区域***双光楔补偿器(3)，利用双光楔补偿器调节架(4)调节双光楔补偿器(3)的横向和轴向位置，使得双光楔补偿器面积刚好可以覆盖整个数据缺失区域；之后对双光楔补偿器(3)进行相对转角调整和整体绕光轴滚转角调整，完成测量。

附图说明

图1是根据本发明的光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法的流程图。

图2是根据本发明的光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量装置的结构示意图。

图3示出了得到的全口径干涉图。

图4示出了区域σ₁的局部干涉图。

图5示出了图4对应的使用干涉仪测得区域σ₁的相位分布。

图6示出了重复步骤(3)得到另外一个清晰区域的干涉图。

图7示出了图6对应的使用干涉仪测得的相位分布。

其中：1-激光干涉仪主机，2-补偿镜，3-双光楔补偿器，4-双光楔补偿器调节架，5-被测镜。

具体实施方式

为了解决激光干涉测量技术在检测加工中的球面或非球面光学元件面形时，无法测量局部陡度面形误差的问题，本发明公开的利用双光楔补偿器和子孔径拼接的干涉测量方法和装置要解决的技术问题是：如何利用双光楔补偿器降低局部陡度面形误差区域的干涉条纹密度，使得干涉仪可以测量该区域对应的面形误差，以及如何完成不规则子孔径测量区域的面形误差数据拼接，从而在不改变原干涉仪光路的前提下，实现之前不可测量的局部陡度面形误差的测量。本发明提出了一种基于双光楔补偿器的局部补偿拼接干涉测量方法，以及测量装置。

如图1所示，这种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法，其包括以下步骤：

(1)利用激光干涉仪主机、补偿镜完成被测镜全口径面形误差的测量，得到全口径面形误差分布Φ(x,y)，其中，局部陡度面形误差区域由于干涉条纹过于密集，无法得到有效测量数据，标记该测量数据缺失区域为Σ；

(2)在上述区域Σ对应的光路中***双光楔补偿器，利用双光楔补偿器调节架调整包括轴向和两个正交横向位置在内的三维坐标(x,y,z)，使得双光楔补偿器面积刚好可以覆盖整个数据缺失区域，根据双光楔厚度调整被测镜轴向位置，使得双光楔引入的附加相位被补偿；

(3)旋转双光楔补偿器相对转角到α₁，使其产生的光束偏转最大；旋转双光楔补偿器整体绕光轴滚转角β，观察数据缺失区域Σ中密集干涉条纹变化，当其中的区域σ₁中干涉条纹稀疏到可以测量时，记录下此时双光楔补偿器整体绕光轴滚转角β₁，使用干涉仪测得此时区域σ₁的相位分布

(4)在光学仿真软件中建立激光干涉仪主机、补偿镜和被测镜组成的测量系统模型，在模型中根据双光楔补偿器的位置(x,y,z)、相对转角α₁和整体绕光轴滚转角β₁***双光楔补偿器的模型，利用逆向迭代优化法由相位分布求得区域σ₁中面形误差分布E₁(x,y)；

(5)以一定步长Δα旋转双光楔补偿器相对转角到α₂，重复步骤(3)，记录σ₂、β₂、重复步骤(4)，记录求得的面形误差分布E₂(x,y)；之后继续以Δα为步长旋转双光楔补偿器相对转角到α_n＝α₁+180°，重复步骤(3)、(4)记录一系列σ_n、β_n、和E_n(x,y)；

(6)对全口径面形误差分布Φ(x,y)和各个σ_n区域的面形误差分布E_n(x,y)进行拼接，得到数据完整的全口径面形误差分布。

本发明利用双光楔补偿器，放置在在局部陡度面形误差的区域，旋转双光楔补偿器的相对转角和整体绕光轴滚转角，产生方向可调的附加倾斜补偿相位，从而使得局部测量光束与局部面形匹配，此时局部的干涉条纹变稀疏，利用干涉仪测量局部相位；根据双光楔补偿器的旋转角度计算其引入的相位，输入虚拟干涉仪模型，计算得到局部面形误差；对被光学元件所有无法直接测量的局部依次进行上述测量过程，直到所有局部陡度面形误差均完成测量；将局部面形误差与光学元件全口径面形误差数据进行拼接，完成测量；因此解决了激光干涉测量技术在检测加工中的球面或非球面光学元件面形时无法测量局部陡度面形误差的问题，在不改变原干涉仪光路的前提下实现之前不可测量的局部陡度面形误差的测量，结构较为简单，无需复杂的全口径机械扫描结构，在扩展测量范围的同时也节约了成本，保留了干涉测量的高精度，适用于平面、球面、非球面等各种光学表面加工过程中的局部陡度面形误差分布测量，实用性强。

优选地，所述步骤(3)中如果β从0到360旋转一周过程中Σ中都没有干涉条纹变清晰，则跳转到步骤(5)。

优选地，所述步骤(4)中逆向迭代优化法的具体方法是：对区域σ₁取最小外接圆，以该外接圆为归一化半径对相位分布φ₁(x,y)进行泽尼克拟合得到拟合系数Z_i1，在测量系统模型中将像面相位的泽尼克系数Z_i1设置为优化目标，被测面区域σ₁中的面形误差的泽尼克系数Z′_1i设为优化变量，利用阻尼最小二乘法进行优化，得到Z′_1i，带入泽尼克多项式，求得面形误差E₁(x,y)。

优选地，所述步骤(6)中首先以全口径面形误差Φ(x,y)为基准，以所有两两相邻区域重叠部分内面形误差的差值的平方和为优化目标，以每个σ_n区域的面形误差分布E_n(x,y)的变换系数为优化变量，利用最小二乘法优化得到变换系数，之后利用变换系数将Φ(x,y)和E_n(x,y)统一到一个坐标系下，最后对各重叠部分内数据进行均化融合或加权融合，获得完整的全口径面形误差分布。

如图2所示，还提供了一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量装置，其包括：激光干涉仪主机1、补偿镜2、双光楔补偿器3、双光楔补偿器调节架4、被测镜5；

激光干涉仪主机1发出的测量光束波前经补偿镜2调制后变成与被测镜5名义面形匹配的波前，入射被测镜5，在被测镜5上反射后，再次经过补偿镜2回到激光干涉仪主机1，与内部参考光干涉，形成干涉条纹；

在补偿镜2和被测镜5之间干涉条纹密集导致数据缺失区域***双光楔补偿器3，利用双光楔补偿器调节架4调节双光楔补偿器3的横向和轴向位置，使得双光楔补偿器面积刚好可以覆盖整个数据缺失区域；之后对双光楔补偿器3进行相对转角调整和整体绕光轴滚转角调整，完成测量。

优选地，所述被测镜5为凹球面反射镜，半口径为290mm，半径1100mm。

优选地，所述激光干涉仪主机1出射准直氦氖激光，波长为632.8nm，口径为50mm；干涉图探测器成像分辨率为1200×1200像素。

优选地，所述补偿镜2为标准球面镜头，焦距100mm。

优选地，所述双光楔补偿器3直径为25.4mm，楔角为±2°，通光孔径中心厚25mm。

优选地，所述双光楔补偿器调节架4为三维平移台，可以沿轴向和两个垂轴方向移动光楔，移动范围均为20mm。

以下详细说明本发明的一个具体实施例。

本实施例所述被测镜5为凹球面反射镜，半口径为290mm，半径1100mm。

所述激光干涉仪主机1出射准直氦氖激光，波长为632.8nm，口径为50mm；干涉图探测器成像分辨率为1200×1200像素。

所述补偿镜2为标准球面镜头，焦距100mm。

所述双光楔补偿器3直径为25.4mm，楔角为±2°，通光孔径中心厚25mm。

所述双光楔补偿器调节架4为三维平移台，可以沿轴向和两个垂轴方向移动光楔，移动范围均为20mm。

测量步骤如下：

步骤一：利用激光干涉仪主机、补偿镜完成被测镜全口径面形误差的测量，得到的全口径干涉图如图3所示，可见在左下角由于局部误差导致干涉图过密，超出探测器记录范围。此时测得全口径面形误差分布Φ(x,y)，其中，局部陡度面形误差区域由于干涉条纹过于密集，无法得到有效测量数据，标记该测量数据缺失区域为Σ。

步骤二：在上述区域Σ对应的光路中***双光楔补偿器，利用双光楔补偿器调节架调整轴向和横向位置(x,y,z)使得双光楔补偿器面积刚好可以覆盖整个数据缺失区域，根据双光楔厚度调整被测镜轴向位置，使得双光楔引入的附加相位被补偿。

步骤三：旋转双光楔补偿器相对转角到α₁，使其产生的光束偏转最大；旋转双光楔补偿器整体绕光轴滚转角β，观察数据缺失区域Σ中密集干涉条纹变化，当其中的区域σ₁中干涉条纹稀疏到可以测量时，记录下此时双光楔补偿器整体绕光轴滚转角β₁，此时的区域σ₁的局部干涉图如图4所示，使用干涉仪测得此时区域σ₁的相位分布如图5所示。如果β从0到360旋转一周过程中Σ中都没有干涉条纹变清晰，则跳过步骤四直接进入步骤五。

步骤四：在光学仿真软件中建立激光干涉仪主机、补偿镜和被测镜组成的测量系统模型，在模型中根据双光楔补偿器的位置(x,y,z)、相对转角α₁和整体绕光轴滚转角β₁***双光楔补偿器的模型，利用逆向迭代优化法由相位分布

求得区域σ₁中面形误差分布E₁(x,y)。

步骤五：以一定步长Δα旋转双光楔补偿器相对转角到α₂，重复步骤三，得到另外一个清晰区域的干涉图如图6所示，测得的相位分布如图7所示，记录σ₂、β₂、

重复步骤四，记录求得的面形误差分布E₂(x,y)。之后继续以Δα为步长旋转双光楔补偿器相对转角到α_n＝α₁+180°，重复步骤三、四记录一系列σ_n、β_n、

和E_n(x,y)。

步骤六：对全口径面形误差分布Φ(x,y)和各个σ_n区域的面形误差分布E_n(x,y)进行拼接，得到数据完整的全口径面形误差分布。

本发明的有益效果如下：

1、本发明所述方法及装置，仅在传统干涉光路中加入双光楔补偿器，结构较为简单，无需复杂的全口径机械扫描结构，在扩展测量范围的同时也节约了成本，保留了干涉测量的高精度。

2、本发明所述方法及装置，适用于平面、球面、非球面等各种光学表面加工过程中的局部陡度面形误差分布测量，实用性强。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。